Arquitectura de ordenadores, RAID y virtualización

1.1 Modelo de von Neumann

La mayoría de ordenadores siguen la arquitectura de von Neumann: datos e instrucciones comparten la misma memoria y un único bus. Componentes:

• CPU (Unidad Central de Proceso): con UC (Unidad de Control) que dirige, y ALU (Unidad Aritmético-Lógica) que calcula; registros (memoria interna rapidísima) y el contador de programa.
• Memoria principal (RAM): almacena datos e instrucciones en ejecución (volátil).
• Buses: de datos, de direcciones y de control que interconectan los componentes.
• E/S: dispositivos de entrada/salida.

La siguiente figura ilustra gráficamente la disposición de estos componentes y su interconexión a través de los buses del sistema:

La arquitectura Harvard separa memoria de datos y de instrucciones (buses distintos), común en microcontroladores. Los procesadores actuales mezclan ambas ideas: pueden usar cachés separadas de datos e instrucciones (Harvard modificada) con un espacio de memoria unificado, y «un único bus» describe el modelo simplificado. El controlador de memoria suele estar en la CPU, no necesariamente en el chipset. Por su conjunto de instrucciones, los procesadores son CISC (instrucciones numerosas y complejas; p. ej. Intel/AMD x86) o RISC (instrucciones pocas y simples, de ejecución rápida; p. ej. ARM). Son familias de ISA, no garantizan menos instrucciones totales, una instrucción por ciclo ni mayor velocidad; los diseños actuales combinan mecanismos.

1.2 Ciclo de instrucción y jerarquía de memoria

• Ciclo: fetch (buscar) → decode (decodificar) → execute (ejecutar).
• Jerarquía de memoria (de más rápida/cara/pequeña a más lenta/barata/grande): registros → caché (L1/L2/L3) → RAM → almacenamiento (SSD/HDD). La caché reduce el cuello de botella entre CPU y RAM.

Registros principales de la CPU: el contador de programa (PC) guarda la dirección de la siguiente instrucción; el registro de instrucción (IR) guarda la instrucción que se ha leído y se está decodificando y ejecutando; además hay registros de direcciones y de datos de memoria (MAR, MDR), acumuladores, el puntero de pila y el registro de estado (flags).

Taxonomía de Flynn (1966): clasifica las arquitecturas por el número de flujos de instrucciones y de datos (flujos, no literalmente una instrucción o un dato aislados):

Clase	Significado	Ejemplo
SISD	Una instrucción, un dato	Procesador secuencial clásico
SIMD	Una instrucción sobre muchos datos	Instrucciones vectoriales (SSE/AVX), GPU
MISD	Varias instrucciones sobre el mismo dato	Raro: sistemas tolerantes a fallos
MIMD	Varias instrucciones sobre varios datos	Multinúcleo, multiprocesadores, clústeres

1.3 Generaciones de ordenadores

• 1.ª generación: válvulas de vacío.
• 2.ª generación: transistores.
• 3.ª generación: circuitos integrados (el tribunal lo preguntó en 2022).
• 4.ª generación: microprocesadores.

1.4 Representación de la información

• Sistemas de numeración: binario (base 2), octal (base 8), decimal (10) y hexadecimal (16; dígitos 0-9 y A-F). Una palabra solo es hexadecimal válida si todas sus letras están entre A y F (ACCEDA lo es; EBOCA no, por la O). Un dígito hexadecimal equivale a 4 bits y uno octal a 3. Cambio de base: se divide por la base y se leen los restos al revés. Ejemplo: 450 en decimal = 111000010 en binario = 702 en octal = 1C2 en hexadecimal (450 = 1·256 + 12·16 + 2).
• Operaciones lógicas bit a bit: AND (1 si ambos son 1), OR (1 si alguno es 1), XOR (1 si los bits son distintos) y NOT (invierte). Son las operaciones del álgebra de Boole. Ejemplo: (1101011 XOR 0110001) AND 0111011: el XOR da 1011010 y, con AND sobre 0111011, el resultado es 0011010. Y NOT (1001001101 XOR 0010111011): el XOR da 1011110110 y su negación, 0100001001.
• Coma flotante (IEEE 754): signo, exponente (con sesgo) y mantisa. Simple precisión = 32 bits (1 de signo, 8 de exponente, 23 de mantisa); doble precisión = 64 bits (1, 11 y 52): es una aproximación de 64 bits de un número real. Por ejemplo, −6,25 en simple precisión es C0C80000 en hexadecimal. Por ser aproximada, 0,1 + 0,2 no da exactamente 0,3.
• Caracteres: ASCII básico usa 7 bits (128 caracteres); el ASCII extendido usa 8 bits (256) para añadir caracteres latinos y símbolos, y existen varias variantes (ISO-8859-1, ISO-8859-15, Windows-1252). Unicode asigna puntos de código a los caracteres del mundo (un carácter visual, o grafema, puede combinar varios puntos de código) y se codifica en UTF-8 (1 a 4 bytes; compatible con ASCII), UTF-16 o UTF-32. «Uniquecode» no existe.

⚠ Cae en examen. von Neumann = datos e instrucciones en la misma memoria. UC dirige, ALU calcula. Jerarquía: registros > caché > RAM > disco (velocidad). Ciclo fetch-decode-execute.